1、3、壓力加工中的金屬粘著與粘著磨損,1 了解金屬壓力加工中的粘著概念2 理解掌握金屬壓力加工中影響粘著因素3 了解金屬壓力加工中金屬粘著狀況,3.1 金屬的粘著與摩擦,金屬粘著與摩擦是密切相關(guān)的兩種現(xiàn)象。這種關(guān)系可由粘著摩擦理論或粘著-變形二元摩擦理論充分反映出來。金屬粘著的特性，還在冷壓焊、雙金屬等復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)中得到實際運用。同時，作為金屬材料磨損的重要機構(gòu)，形成了目前運用甚廣的粘著磨損理論。 試驗研究與生產(chǎn)實踐表明，金屬產(chǎn)生粘著的關(guān)鍵性因素是接觸金屬表面的剪切變形。因為剪切變形過程可在一定程度上消除阻止金屬粘著的表面氧化與污染膜，粗化表面，提高表面的活性。 為了描述相接觸金屬粘著現(xiàn)象

2、強弱的定量關(guān)系，常引用“粘著系數(shù)”的 概念，即：,式中 -粘著系數(shù) Pb-粘著力，即分開粘著金屬所需的力 N-法向壓力 阿芒頓庫侖摩擦定律相對應(yīng)地提出了“粘著定律”，即平均粘著力正比于法向載荷，與外觀接觸面積無關(guān)。,圖31 粘著系數(shù)與摩擦系數(shù)關(guān)系曲線,由扭轉(zhuǎn)-壓縮法試驗結(jié)果表明，通常，較高的摩擦系數(shù)對應(yīng)著較高的粘著系數(shù)。圖3-1示出了純度為99.999、直徑為6.35mm的鋁棒與外徑為6.35mm內(nèi)徑為3.17mm的鋁管，在45.4N載荷作用下，通過99次試驗得到的摩擦系數(shù)與粘著系數(shù)的數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果： 1）隨著粘著系數(shù)的增大，摩擦系數(shù)也增大。 2）摩擦力（系數(shù)）大時，對應(yīng)的金屬粘附量也大。 這

3、進一步說明了摩擦與粘著以及金屬磨損之間的關(guān)系。,3.2 金屬性質(zhì)對粘著性能的影響,相對滑動的金屬，特別是壓力加工中工具與變形金屬之間發(fā)生粘著與粘附，一般要經(jīng)歷如下過程： 1）邊界潤滑膜的破裂； 2）金屬表面氧化膜的破裂； 3）新鮮基體金屬的露出，以及在壓力與溫度等條件作用下與工具表面產(chǎn)生金屬粘著； 4）由于剪切流動，出現(xiàn)粘附金屬的產(chǎn)生、發(fā)展和脫落的過程； 5）由于金屬粘附或粘附金屬層的脫落，損害制品表面以及導(dǎo)致工具的磨損。,由此可見，影響工具與變形金屬間粘著的條件和因素是很復(fù)雜的。金屬粘著現(xiàn)象的產(chǎn)生條件簡單歸結(jié)為： 臨界溫度條件；臨界膜厚條件以及熱不穩(wěn)定條件等。 影響粘著的因素有：工具材料、變

4、形金屬與潤滑劑的性質(zhì)，金屬的表面增加率，面壓，工具與坯料的運動速度與溫度，潤滑劑導(dǎo)入條件，工具與坯料相對滑移距離，變形程度，變形溫度與變形速度等。 事實上，我們可以把影響金屬粘著的因素區(qū)分為內(nèi)部因素與外部因素兩大類。,對許多金屬材料進行的試驗表明，金屬的本身性質(zhì)對于粘著影響很大 。 1） 晶體結(jié)構(gòu)： 面心立方與體心立方金屬都比密排六方金屬有較多的滑移系統(tǒng)，有利于通過塑性粗糙化過程與相接觸表面在幾何外形上很好的吻合。 2）硬度：金屬越軟，越有利于這種吻合。因此，硬度高的金屬，表現(xiàn)出較低的粘著系數(shù)。 3）彈性模量：彈性模量越小，硬度越低，粘著的點由于各部分的彈性作用而被拉開的可能性就越小，也就越有

5、利于金屬粘著的發(fā)展。,4） 加工硬化系數(shù)、熔點與再結(jié)晶溫度和粘著系數(shù)密切相關(guān)，實質(zhì)都是接觸界面溫度所能引起的諸如擴散等動力學(xué)過程。硬化系數(shù)大的金屬，不僅可使粘著點不易切斷。表現(xiàn)出較強的粘著力。而且根據(jù)物理化學(xué)的觀點，這些劇烈強化的局部區(qū)域內(nèi)有較高的位錯密度，即內(nèi)能較高，原子處于不穩(wěn)定的高能態(tài)。當(dāng)接觸界面溫度（體積、表面及局部閃發(fā)溫度）升高時，使原子擴散運動能力增強，有條件時，甚至可以穿過界面進行相互擴散過程，使粘著進一步加強。,5）粘著功：接觸金屬的表面能（va、vb）越大，產(chǎn)生粘著所需的粘著功W ab越大。然而，如果兩金屬表面粘著后的界面能vab很高，則意味著所需粘著功很小。從力學(xué)角度看，表

6、面能大表示金屬本身原子之間有較強的結(jié)合力，硬度越大，因此粘著難以發(fā)生。為此，通常采用W ab/H來衡量粘著的難易。 W ab/H值與粘著系數(shù)成正比。金屬銦的W ab/H值最大，是金屬中粘著性最強的金屬。,表3-1 金屬性質(zhì)對金屬粘著性質(zhì)的影響,3.3影響金屬粘著的外界因素,討論溫度、表面氧化膜以及工具與變形金屬之間配對性質(zhì)對金屬粘著的影響。 3.3.1 溫度 接觸界面溫度對粘著的影響與金屬再結(jié)晶溫度的高低、金屬原子的擴散過程密切相關(guān)。巖田等人，用50MPa的壓力把10mm的碳素鋼圓柱試件與82mm的管件試件緊壓在一起，測定粘著力（使兩者重新分開的法向力）隨溫度變化的情況。粘著力從700左右開始

7、測出，隨著接觸界面溫度的上升，粘著力急劇增大，約在10501120時達最大值，此時的粘著系數(shù)為0.81.0。,巖田認(rèn)為，粘著開始的熱力學(xué)溫度約為金屬熔點熱力學(xué)溫度的一半。表現(xiàn)出較強粘著力的溫度Ta與配對材料中較軟材料的熔點Tm之間有表3-2所示關(guān)系。一般認(rèn)為，當(dāng)界面溫度達到再結(jié)晶開始溫度時，由于擴散過程充分進行，金屬間的粘著與粘著磨損急劇增加。粘著開始的熱力學(xué)溫度約為金屬熔點熱力學(xué)溫度的一半。 表3-2 幾種材料的Ta/Tm值,3.3.2 表面氧化膜,主要體現(xiàn)在表面氧化膜的性質(zhì)以及在接觸滑移過程中被破壞清除的程度。 有色金屬容易與工具表面發(fā)生金屬粘著，而鋼鐵則不然。因此，鋁銅等有色金屬可廣泛運

8、用冷壓焊技術(shù)來生產(chǎn)雙金屬材料。然而，試驗表明，即使在有色金屬之中，金屬不同，使它們壓結(jié)在一起所需軋制率也各不同，其主要原因就是由于各種金屬的表面氧化膜性質(zhì)不同。 由表3-3看出，鋁的這一比值最大，壓結(jié)（粘著）也就最容易。這是由于氧化物相對基體金屬越硬脆，塑性變形時的剪切流動過程越易使之破碎，新鮮金屬表面袒露的可能性越大，越有利于金屬間的粘著。鐵與鐵同種金屬間雖然有很大的粘著力，但由于氧化物對基體鐵硬度比很小，表面氧化物阻止粘著的作用大。所以，在軋鋼等加工過程中，金屬的粘附問題倒不很突出。,表3-3 金屬壓結(jié)一起所需軋制率與氧化物對金屬硬度比之關(guān)系,3.3.3接觸金屬之間的相互作用性質(zhì),配對性質(zhì)

9、的影響-以接觸金屬間的固溶度或合金化能力來概括反映這種性質(zhì)的影響。 由合金化理論可知，兩種金屬形成固溶體或金屬間化合物的能力，與金屬的晶格類型，原子半徑大小，電子濃度以及組元間的化合親和力等因素的影響有關(guān)。例如，在表3-4中列出了幾種金屬在鐵中的固溶度與它們對鐵的粘著力情況。例如，具有較大固溶度的銅鎳金屬配對時，其粘著磨損速度比幾乎不互溶的銀鐵配對高出500倍；鉛在鈷、鎳、鉻及鐵中的固溶度較低，因此，機械中常用作滑動軸承的配對材料。鋁在加工時對工具表現(xiàn)出極強的粘著性，工具的粘鋁現(xiàn)象很嚴(yán)重（尤其在熱加工時）。甚至在擠壓只含410鋁的鋁青銅時，穿孔針也常出現(xiàn)嚴(yán)重粘附金屬的現(xiàn)象，使管材內(nèi)表面發(fā)生嚴(yán)重

10、劃傷，并且使穿孔針壽命縮短。,表3-4 幾種金屬對鐵的固溶度及粘著力,由于金屬間固溶度大，合金化能力強，常意味著兩種金屬原子間的親和力及相互擴散的能力強。這樣的金屬接觸時，在摩擦場內(nèi)溫度、壓力、金屬表層剪切變形以及接觸面間的成分梯度等條件作用下，表層金屬元素或雜質(zhì)的分布將通過擴散過程得到改變。甚至越過分界面相互擴散，從而改變兩者的配對性質(zhì)，使金屬粘著加劇。人們對摩擦試片進行觀察后認(rèn)為：在相互固溶的金屬配對中，出現(xiàn)相互擴散，直到數(shù)十微米深處都滲透有配對材料的元素，而且每顆磨損顆粒都是兩種材料的混合物；反之，則不出現(xiàn)這一現(xiàn)象。,另外，由不同牌號的工具鋼與鋁合金間所進行的擴散磨損研究表明：摩擦條件下

11、的互擴過程與靜態(tài)接觸條件下的互擴散過程并無本質(zhì)區(qū)別；鋁與鐵的互擴過程需要在某一界面溫度（150）以上才可明顯進行；鋁在不同牌號工具鋼內(nèi)的擴散深度不同，擴散深度小者所相應(yīng)的摩擦系數(shù)、粘鋁量及擴散磨損量均??；工具鋼表面的鋁擴散復(fù)合層硬度增高，是由于擴散元素相互作用形成鋁鐵金屬化合物所致。,3.4 熱軋鋁及鋁合金時的軋輥粘鋁,鋁及鋁合金對工具表面具有很強的粘著性，在軋制，特別是熱軋時很容易在軋輥輥面上形成粘鋁層（覆面鋁）。 其結(jié)果，不僅使摩擦加大，使熱軋坯料表面出現(xiàn)種種在冷軋或精整等后續(xù)工序中難以消除的缺陷，以及使制品在陽極氧化處理中出現(xiàn)大量表面“黑斑”。,對熱軋鋁時軋輥表面粘鋁層形成機理與過程研究

12、表明，粘鋁層的厚度，在其他因素不變的前提下，隨軋制道次的增加，開始增加較快，而增加到一定厚度之后，就會出現(xiàn)動態(tài)平衡過程，即鋁微粒的粘附與脫落數(shù)量大體相等。這一最大厚度受許多因素的影響。一般地說，熱軋溫度增高，道次加工率加大，軋制純鋁或軟鋁合金以及使用形成邊界潤滑膜性能較差的潤滑劑，都使粘鋁層增厚。,鈴木正道及G.F.福朗蒂尼等人對軋輥表面粘鋁層采用金相、化學(xué)及X射線微區(qū)分析等方法進行研究表明：它是由一些通常為0.55m厚的小薄片粘合在一起，形成一種不連續(xù)的、猶如屋瓦狀的結(jié)構(gòu)（圖,在干涉顯微鏡下所觀察到的白色部分為鋁，黑色部分是氧化鋁或是裹入的潤滑劑。 其次，采用X射線微區(qū)分析證明：在不使用潤滑

13、劑的情況下，該層只由鋁的小片組成；在使用乳液時，該層則含有鋁、氧、碳等元素。由此可以認(rèn)為，軋輥粘鋁層中的氧化鋁并不是由于鋁與大氣中氧直接反應(yīng)的產(chǎn)物，而是與夾雜在乳液中的氧或氧化物反映而成的。在無潤滑情況下，在粘鋁層中檢驗出碳，這顯然是在軋輥（低碳鉻鋼）中的碳擴散所造成。,在軋制過程中中途停車，并用樹脂把軋件與軋輥膠固，然后在垂直軋輥軸線的橫截面上觀察兩者間的接觸界面狀況，可以發(fā)現(xiàn)，在無潤滑的情況下，在接觸弧的中央部位幾乎全面粘著，在出口一側(cè)，軋輥與板片分離后，在輥面與板片表面都可以看到較明顯的凹凸不平。當(dāng)有乳液潤滑時，只在很小區(qū)域粘著，并觀察到滯留潤滑劑的“小池”。由此可見，乳劑的潤滑與冷卻作

14、用，可以起到抑制軋輥粘鋁的作用。,由于軋輥粘鋁導(dǎo)致的制品缺陷通常有以下三種： 粘附溝。由于坯料表面的小塊鋁粘附到輥面后，遺留下來的溝槽。其大小及分布不均。這種沒有夾雜臟物的溝槽，在后續(xù)軋制過程中，由于表層金屬延伸而可能被掩蓋，以致這種缺陷只有在進行蝕洗或陽極氧化時才能顯露。 壓入粘附缺陷。出現(xiàn)在粘鋁層不穩(wěn)定的時候，被剝落的粘附顆?；卣车脚髁媳砻?，并被壓入表層。在陽極氧化時，由于氧化鋁的絕緣性，而形成“黑斑”。 壓痕缺陷。在軋輥表面形成厚度不均的粘鋁層時，這種不規(guī)則的外形會壓印到坯料表面，形成較圓滑的凹坑或壓痕。這種缺陷在冷軋時易于消除，對產(chǎn)品表面質(zhì)量影響不大。,3.5 鋁材擠壓時的模具粘鋁,擠

15、壓變形方式與軋制及拉拔等工藝比較，其主要特點是 變形金屬處于強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生二向壓縮向延伸的變形，且其延伸系數(shù)一般都在10以上（斷面收縮率大于90）。 在擠壓鋁及鋁合金時，金屬與擠壓筒壁、模具及穿孔針表面，在無潤滑、高溫及高壓條件下，存在較長的連續(xù)接觸時間。因而，工具與坯料之間的粘著作用顯得更為突出。 ?？妆砻妗D壓筒臂及穿孔針表面嚴(yán)重粘鋁，使它們與變形金屬之間的摩擦變成同種金屬間的摩擦，結(jié)果使擠壓制品表面嚴(yán)重劃傷。,使用如表3-5所列的不同材質(zhì)與表面處理的模子，擠壓6063鋁合金（Al-0.52 Mg-0.37 Si-0.16 Fe）,粗糙度如圖 圖 定徑區(qū)表面性質(zhì)及狀態(tài)對擠壓制品

16、表面粗糙度的影響（擠溫480,3.6 壓力加工中的金屬粘著磨損,按其磨損機理分為：粘著磨損；磨料磨損；表面疲勞磨損；腐蝕及微動磨損等。在金屬壓力加工過程中，據(jù)其工作條件主要出現(xiàn)粘著磨損形成，即可運用前述金屬粘著理論，來解釋這一過程中的磨損現(xiàn)象。 根據(jù)粘著磨損模型，不難得出表示粘著磨損的宏觀規(guī)律為 式中 W體積磨損總量； L相對滑動距離； N作用在接觸面上的法向載荷 較軟材料的屈服壓應(yīng)力 K反映真實接觸點產(chǎn)生粘著磨損顆粒的幾率，是與摩擦偶材料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，如果真實接觸點在滑動過程中，每接觸一次就產(chǎn)生磨損顆粒，則K1。 由上式可看出，體積磨損量正比于法向載荷，與名義接觸面積無關(guān)。此即通常所稱的磨

17、損定律。,對于粘著磨損顆粒的大小形狀，人們進行過研究。如果根據(jù)靜態(tài)接觸模型（參看圖1-14a），粘著只發(fā)生在真實接觸面上，那么磨損顆粒的大小應(yīng)與真實接觸點的大小大體相同，即約0.11m數(shù)量級。,然而，無論是粘附在工具表面的顆粒或脫落的松散磨損粒子，其實際尺寸都要比上述數(shù)據(jù)約大一個數(shù)量級。其平面形狀一般也不為圓形，在滑動方向上的長度l比垂直與滑移方向的尺寸B要大一些。,河合望等人在研究用模子冷拉鋁條材時，提出了模子表面上島狀粘附層的形成、發(fā)展以及脫落而形成磨損粒子的模型（圖3-4）。在整個模子表面都處于高摩擦狀態(tài)時，首先如圖3-4a，在出口部位沒有看到金屬粘結(jié)到模子表面，但在此部位的摩擦應(yīng)力卻合

18、金屬的剪切屈服應(yīng)力大致相等，此區(qū)域稱為亞粘附區(qū)；其后如圖3-4b，在金屬表面附近（深度約0.1mm以內(nèi)）產(chǎn)生許多裂紋；最后，便如圖3-4c，在模子中部形成由裂紋分離的粘附層，這種粘附層是不穩(wěn)定的，會如圖3-4d那樣從模面上脫落。這一過程重復(fù)進行，不斷產(chǎn)生磨損顆粒。,圖3-4 島狀粘附層的產(chǎn)生、發(fā)展及脫落成磨損顆粒的過程,3.7 工模具材質(zhì)的選擇,在金屬壓力加工中可能運用的工模具材料大致可區(qū)分為四類：鑄鐵、鋼、硬質(zhì)合金以及其他材料。 表3-7中列出了各類材料的名稱、大體成分及特性等。表3-8中列出鋼中較常出現(xiàn)的一些碳化物的維氏硬度值。,就提高工模具的抗粘著及耐磨性而言，大體可朝高含碳量與高合金化

19、的方向發(fā)展，使其組織中的碳化物量增加，分布更加彌散；在鑄鐵材料中，由于灰口鑄鐵中呈片狀分布的石墨的潤滑作用，使灰口鑄鐵有利于減少工具與金屬間的粘著；硬質(zhì)合金應(yīng)注意控制鈷含量（520），因為隨鈷含量的增加，硬質(zhì)合金的耐磨性與抗粘著性能降低。深入研究模具鋼模具的使用性能表明，模具的性能往往通過硬度來評價，而硬度又是由碳化物和金屬基體兩者共同決定的。,碳化物的硬度是不變的（表3-8），但基體硬度卻隨其組織狀態(tài)而改變。模具的抗金屬粘著性能主要與基體有關(guān)，而耐磨性主要與碳化物有關(guān)。碳化物對耐磨性的影響，除與本身的硬度有關(guān)外，還與其顆粒大小，分布及形態(tài)有關(guān)。鐵的碳化物硬度要比鎢、鉬、鈦及釩等合金元素所形成的碳化物硬度小，所以合金模具鋼的耐磨性要更好些。而且，當(dāng)所有碳化物呈細(xì)小球狀（直徑0.71m）及彌散分布時。其耐磨性更好。為此，模具鋼必須進行球化處理。,3.8 工模具的表面處理,工模具表面處理